Емкостный датчик давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/12 

т.е.

(9)

(10)

10

Co Cot

Cx Cxt

Для обеспечения нулевого значения мультипликативной температурной погрешности необходимо:

Ср Cot

Схр Cxpt

где Схр, Cxpt - емкость измерительного конденсатора при воздействии измеряемого давления и температуры t.

Емкости конденсаторов Схр, Cxpt равны

Г - сЯ Го.(л

Јо и, -,... (1«)

RO, Rt - радиус мембраны при температуре to, t соответственно;

he, ht-толщина мембраны притемпера- 1с . тУРе to. t соответственно;

ЕО, Et - модуль упругости материала мембраны при температуре to, t соответственно.

Ro

Q

R

жц

(17)

- радиус жесткого центра;

Цо , коэффициент Пуассона материала мембраны при температуре to, t, соответственно.

Cxpt Јо

do -

.. ° Yдм v. /- , (12) 25 . ак как величина С является отношением

0 t радиусов мембраны и жесткого центра, то

где Wo , Wot - прогибы жесткого центратермические расширения мембраны и жеспод воздействием измеряемого давленияткого ЧентРа взаимно компенсируются за

при температуре to и t соответственно. счет их отношения/а величина козффициен|ЧП- та Пуассона в квадрате мала по сравнению В соответствии с (Пономарев С:Д„ Анд- |ои; с 1§ МОЖно сделать вывод:

ЙЯ Л F ParUAT OnOhJICiLJTrkD л д д/- д

реева Л.Е; Расчет упругих элементов ма-- шин и приборов, М., Машиностроение 1980, с.242) величины прогибов мембраны равны

Тогда

jr(ri -rf)(do - Аро

R4 Ко

Р

п ,3 to По

Ар -

PRo

Echo(13)

10

n

RO, Rt - радиус мембраны при температуре to, t соответственно;

he, ht-толщина мембраны притемпера- 1с . тУРе to. t соответственно;

ЕО, Et - модуль упругости материала мембраны при температуре to, t соответственно.

Ro

Q

R

жц

(17)

- радиус жесткого центра;

Цо , коэффициент Пуассона материала мембраны при температуре to, t, соответственно.

Тогда

.

to

jr(ri -rf)(do - Аро

R4 Ко

Р

п ,3 to По

do Јо Л Го

(19)

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении статико-динами- ческих давлений при фиксированных температурах. Цель: уменьшение температурной мультипликативной погрешности. Сущность изобретения: в емкостном датчике давления, содержащем мембрану 1, опорное основание 2, круглый электрод 3, кольцевой электрод 4, закрепленную с зазором на опорном основании пластину 5 с ответными электродами 6, 7, выводные проводники 8, выводные проводники выполнены, из материала с определенным температурным коэффициентом линейного расширения. Изобретение позволяет уменьшить мультипликативную температурную погрешность в 2 раза без введения новых элементов конструкции. 2 ил.

ot

Cxpt

e07r()(1+aMAt)(1+abAt)-Apo 1 Ер ( 1 +РМ At )hp

do ( 1 + ) Ј0 л:ri ( 1 + Ом At )2

Приравняв два последних выражения, пол учим:

(-)(d0-Apo -) (rS-)do(l+a.At)-Apo R;0+g Jl

E0h

do Гп

о По

Ео(1 +j3MAt)hg

do Го(1 +0в At )

do - Аро

р -RQ

ЕО ho

Проведя необходимые преобразования получим:

-,4

(1+aBAt)- d0-Apo- ido(1+aBAt)-Apo- lI-- LAJL}(23-l

-3 /-E0(1+/3MAt)ho- l

E0h

1 +ав At) -do +A

PO

P -Ro

Eo h

о По

,3

(20)

)do(l+a.At)-Apo R;0+g Jl

Ео(1 +j3MAt)hg

do Го(1 +0в At )

н , , п д . .PftoQ +gMAt)

d(i +aBAt)-Ap0- Eo(l +0MAt)hg

ho

1 +CteAt

(21)

(22)

PRo(i +ДмДт),

,. , 4 , д А Л.з1

E0(1 )ho.J

(24)

i I tf

A ApoP Ho(l )lEoho ,--4

- - П)

Fo( 1 f/JM At) ho ApoPRo

1 + «M Л t

ЛТ

(26)

На фиг.1 изображен предлагаемый емкостный датчик давления; на фиг,2 - место I на фиг,1.

Соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщин электродов и размерами других элементов конструкции для наглядности изменены, Емкостный дат- чик давления содержит мембрану 1, выполненную за одно целое с опорным основанием 2, круглый электрод 3, размещенный в центре мембраны, и кольцевой электрод 4, расположенный на опорном ос- новании, закрепленную с зазором на опорном основании пластину 5 с ответными электродами 6 и 7, выводные проводники 8, частично располох енные между опорным основанием и пластиной. Характеристики элементов конструкции связаны заявляемым соотношением. При выполнении мембраны и опорного основания из сплава 70НХБМЮ( ам

13-К) -300-10 ь°С 1)и At 600°C,t 0, . Для обеспечения столь малого значения ТКЛР выводов они выполняются из плоских кварцевых полосок толщиной 40 мкм, покрытых с обеих поверхностей пленкой никеля толщиной 0,5 мкм. К контактам гермо- переходника выводы припаиваются специ- альным припоем. Соотношение толщины кварцевых и никелевых пленок при необходимости обеспечивается требуемым ТКЛР выводов.

Заявляемый датчик работает следую- щим образом, Измеряемое давление воздействует на мембрану. Под воздействием измеряемого давления круглый электрод, расположенный в центре мембраны, перемещается к ответному электроду 6 пласти- ны. Вследствие этого емкость измерительного конденсатора, образованного этими (3 и 6) электродами, увеличивается. Емкость опорного конденсатора, образованного электродом 4, расположен- ным на опорном основании, и ответным электродом 7 пластины, не зависит от величины измеряемого давления вследствие существенно большей жесткости опорного основания по сравнению с жесткостью мем- брзны. Значения измерительной и опорной

емкостей поступают через гермоконтакти ч в нормирующее устройство (на фиг 1 не по казан), которое формирует выходной cni- нал, зависящий от отношения значений опорной емкости к измерительной емкости

При работе датчика давления при стационарной температуре, отличающейся от температуры нормальных климатических условий, например, при повышенной температуре, вследствие изменения модуля упругости материала мембраны от температуры, емкость измерительного конденсатора под воздействием измерительного давления буг дет отличаться от емкости измерительного конденсатора при воздействии измеряемого давления при температуре нормальных климатических условий. Но вследствие подбора характеристик элементов конструкции выходной сигнал нормирующего устройства, сформированный по тому же алгоритму, что и для нормальных климатических условий, не зависит от воздействующей температуры.

Таким образом, преимуществом изобретения является уменьшение мультипликативной температурной погрешности за счет компенсации изменения модуля упругости материала мембраны от температуры термическим изменением размеров элементов конструкции, а также то, что уменьшение погрешности достигнуто без введения новых элементов конструкции.

Формула изобретения

Емкостный датчик давления, содержащий мембрану, выполненную за одно целое с опорным основанием, круглый электрод, размещенный в центре мембраны, и кольцевой электрод, расположенный на опорном основании, закрепленную с зазором на опорном основании пластину с ответными электродами, выводные проводники, частично расположенные между опорным основанием и пластиной, отличающийся тем, что, с целью уменьшения мультипликативной температурной погрешности, в нем выводные проводники выполнены из материала, температурный коэффициент линейного расшире- нияАькоторого определен из соотношения 1 + «м A t

«ь

1 +йм At

кг

- 1

где г/м температурный коэффициент линейного расширения материала мембраны, температурный коэффициент модуля упругости материала мембраны A t - диапазон рабочих температур

риг.2